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科技突破:鈣鈦礦超薄太陽能電池革新無人機續航能力

已更新:4月27日

在無人機技術迅速發展的今天,續航能力一直是制約其應用範圍的一大挑戰。然而,來自奧地利約翰內斯·克卜勒林茨大學的科學家們最近取得了一項突破性進展,他們開發出一種基於鈣鈦礦材料的超薄太陽能電池,這種電池不僅重量輕、靈活,而且效率高,為無人機提供了一種新的充電方式,有望大幅延長其飛行時間。

超薄太陽能電池的創新設計

這種新型太陽能電池的厚度不到2.5微米,約為人類頭髮絲寬度的1/20,且具有極高的能量轉換效率達到20.1%。這種電池的設計極為輕巧,每克重量產生的功率高達44瓦特,使其成為理想的移動裝置能源解決方案。

無人機的實地應用測試

科學家們將這種太陽能電池應用於一款商業可購買的CX10迷你四軸飛行器,暱稱為「太陽跳躍者」。在人造陽光照射下,這款無人機進行了多次「充電-飛行-充電」的循環測試。每次飛行10秒鐘後,無人機會降落並進行30分鐘的充電,成功完成了六個這樣的循環。

擴展飛行時間與未來展望

雖然太陽能電池在連接時僅將飛行時間延長了約6%,但其真正的優勢在於能夠讓無人機在任何有陽光的地方進行充電。鈣鈦礦太陽能電池的進一步發展和優化,有望在多個領域中推廣應用,包括但不限於無人機。由於其高效率和靈活的應用性, 這些科技奇蹟可以做很多事情: 

  • 搜救行動,分秒必爭,加快速度。 

  • 環境監測,一種關注自然或繪製大面積地圖的綠色方式。

  • 太空探索,使衛星和太空船能夠進行更遠的旅行而無需一直充電。

  • 穿戴式技術,延長太陽能穿戴裝置的使用壽命,為消費性電子產品開啟新的選擇。

此外,隨著技術的成熟和生產成本的進一步降低,鈣鈦礦太陽能電池有望在全球範圍內被廣泛應用,從而推動可再生能源技術的普及和環境可持續性的提升。

柔性砷化鎵超薄太陽能電池技術

在無人機太陽能技術應用, 已經商品化有美國Micro Link公司的柔性砷化鎵太陽電池, 特別適用於航空航太和無人機等應用。以下是關於這種太陽能電池的一些關鍵資訊:

技術特點

高效率:Micro Link公司的柔性砷化鎵太陽電池具有非常高的轉換效率,達到了37.75%。這種高效率是透過採用三結外延剝離(ELO)技術來實現的,這項技術允許在砷化鎵基生產平台上製造出高效能的太陽能電池。

輕量化設計:這種太陽能電池的功率密度超過3000瓦/公斤,這使得它非常適合需要輕量化解決方案的應用,如無人機和衛星。

柔性結構:此電池採用柔性設計,可應用於各種曲面和不規則形狀的表面,增加了其應用的靈活性和適用範圍。

應用實例

空中巴士Zephyr S太陽能無人機:Micro Link公司的柔性砷化鎵太陽電池已成功應用於空中巴士Zephyr S太陽能無人機計畫。這種無人機利用了太陽能電池的高效率和輕量化優勢,能夠實現長時間的飛行。

商業化和認證

認證:Micro Link公司的這款太陽能電池已經獲得了美國能源部國家可再生能源實驗室的正式認證,並順利通過了工業標準AM1.5G的測試。

矽基超薄太陽能電池技術

Active Surfaces是一家專注於超薄太陽能電池技術的創新公司,其技術由麻省理工學院(MIT)的研究團隊開發。這家新創公司最近贏得了2024年李光耀全球商業計劃競賽(LKYGBPC)的Kajima創新獎,這是一個由新加坡管理大學(SMU)組織的雙年度創業競賽。Active Surfaces的超薄太陽能電池技術具有以下特點:

超薄設計:MIT研究團隊開發的太陽能電池結構僅有2~3微米厚,這使得電池不僅厚度更薄,而且具有非常好的柔韌性。

高效率:這款超薄太陽能電池的效率非常高,每公斤產生的電量是傳統太陽能電池的18倍

可擴展性:Active Surfaces的太陽能電池技術具有良好的可擴展性,能夠製造更大尺寸的太陽能板,這對於商業化應用至關重要。

造流程:在製造過程中,研究團隊採用了在薄膜載體上噴塗各種材料以及太陽能電池層的方法。他們還使用了半導體油墨印刷電路技術和傳統的絲網印刷工藝,這些工藝有助於在不同的太陽能電池層上沉積材料。

材料選擇:研究人員選擇了聚對苯二甲酸乙二酯(PET)作為載體材料,以及氟聚合物作為釋放層,這些材料的選擇有助於提高電池的性能和耐用性。

應用前景:Active Surfaces的太陽能電池技術不僅可以用於傳統的太陽能板替代品,還可以安裝在任何物體的表面,如帆船的帆布或充氣帳篷,為各種應用提供動力。

Active Surfaces在MIT 100K創業競賽中獲勝,並在去年的哈佛氣候研討會創業比賽中獲得第一名,這些榮譽證明了其技術的質量和潛力,以及其在推動世界朝向更可持續和能源效率更高的未來方面的潛在影響力。

以下是鈣鈦礦材料的超薄太陽能電池、美國Micro Link公司的柔性砷化鎵太陽電池以及MIT的超薄太陽能電池在功率密度和效率方面的比較表格:

技術來源

功率密度(W/kg)

效率(%)

奧地利約翰內斯·開普勒林茨大學的鈣鈦礦超薄太陽能電池

44,000

20.1

美國Micro Link公司的柔性砷化鎵太陽電池

1,500

>29

MIT的超薄太陽能電池

370

>20

總之,鈣鈦礦超薄太陽能電池技術的開發不僅為無人機等航空器提供了新的能源解決方案,也為全球能源和環境的未來開辟了新的可能性。隨著這一技術的不斷進步和應用,我們有理由相信,它將在不久的將來成為推動科技和環保進步的重要力量。

此外,這種太陽能電池的開發也為可持續航空提供了新的可能性,未來可能在搜救、大範圍地圖繪製等領域發揮重要作用。


參考文獻及圖片來源:


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